Структурные схемы систем с резервированием

Структурная схема системы

Типовые схемы резервирования

Существуют следующие способы описания функционирования технической системы в смысле ее надежности:

структурная схема;

функции алгебры логики;

граф состояний;

дифференциальные и алгебраические уравнения;

интегральные уравнения.

Опишем эти способы на протяжении темы 4 и приведем примеры их использования.

Каждый элемент сложной системы в структурной схеме изображается в виде геометрической фигуры, чаще всего прямоугольника. Прямоугольники соединяют линиями таким образом, чтобы полученная структурная схема отображала условия работоспособности. В качестве примера на рис.1 приведены соответственно структурные схемы нерезервированной системы, состоящей из n элементов (а), и системы с раздельным (поэлементным) резервированием (б).

Резервирование элементов осуществляется методами постоянно включенного резерва, замещением и с дробной кратностью m = 1/2 .

 

Рис. 1. Структурные схемы нерезервированной (а) и резервированной (б) систем

Из структурных схем наглядно видны условия работоспособности. Система на рис. 1,а работоспособна, если все ее элементы исправны. Отказ любого элемента нарушает работоспособность системы, наступает ее отказ. Система на рис.1,б работоспособна, если исправным является элемент 1 и любой один элемент дублированных пар, а также два любых элемента из трех резервированных с дробной кратностью m = 1/2 .

Высокая наглядность — основное достоинство этого метода. Его недостат­ком является далеко не полная информация о функционировании системы. Например, из рис.1 не ясно: ремонтируемая или неремонтируемая система, дублирование осуществлено равнонадежными элементами или нет, какова дисциплина обслуживания системы, если она ремонтируемая (количество ремонтных бригад, приоритетность обслуживания), какова кратность резер­вирования в случае резервирования с дробной кратностью.

Эти и ряд других недостатков требуют дополнительных описаний условий работоспособности системы. Только при этих условиях можно выполнить анализ системы по критериям надёжности. Следует также иметь в виду, что структурная схема не является математической моделью функционировании системы.

Рассмотрим систему с простой двухполюсной структурой, которая характеризуется следующими признаками:

один элемент (например, Э1) является основным, а все остальные резервными. Всего элементов n, резервных элементов m= n – 1. Кратность резервирования 1/( n – 1) ;

резервные элементы включены постоянно;

переключение на резерв при отказе любого элемента происходи мгновенно;

надежность системы управления резервом не учитывается.

Рассмотрим систему, состоящую из n параллельно сое­диненных элементов (рис.2).

 

И П

 

Э1 - основной элемент

Э2….Эn - резерв

 

……

 

Рис.2. Структурная схема из n параллельно сое­диненных элементов. И-источник потока,
П-приёмник (получатель).

В зависимости от уровня выделяют следующие виды резервирования:

общее, при котором резерв предусматривается на случай отказа ЭВМ в целом(рис.2);

раздельное, при котором резерв предусматривается на случай отказа отдельных элементов машины или их групп (рис.3).

 

1 2 n

И П

1 …..

 

 

 

m

Рис.3. Раздельное резервирование, n-число подсистем, m-число элементов в п\с.

смешанное, предусматривающее совмещение различных видов резерви­рования.

Существует три способа включения резерва: постоянное, замещение и скользящее.

Постоянное резервирование, при котором резервные элементы участ­вуют при работе ЭВМ наравне с основными. При этом резервные элементы находятся в том же режиме, что и основные, и их ресурс расходуется с начала работы ЭВМ (рис. 2,3). Это недостаток постоянного резервирова­ния.

Основным достоинством постоянного резервирования является: прос­тота и мгновенная готовность резерва к работе, т.к. нет необходимости подключения резерва.

Резервирование замещением - это такое резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента (рис.4).

=

 

Рис. 4. Резервирование замещением.

При резервировании замещением обязательно наличие коммутирующего устройства (К) для подключения резервных элементов взамен отказавших основным.

Преимущества этого способа заключаются в сохранении ресурса рабо­ты резервных элементов. Недостатки: необходимость коммутирующего уст­ройства, затраты времени на переключение резерва и выход его на рабо­чий режим, ненадежность коммутаторов.

Скользящее резервирование - резервирование замещением, при кото­ром группа основных элементов резервируется одним или несколькими ре­зервными элементами, каждый из которых может заменить любой элемент в данной группе (рис.5).

основная

….. система

 

 

резервные элементы. Рис. 5.Скользящее резервирование

Скользящее резервирование позволяет при относительно небольших затратах (т.к. количество резервных элементов меньше числа основных) по­высить надежность ЭВМ.

В зависимости от режима работы различают следующие резервы: нагруженный - резервный элемент находится в том же рабочем режиме, что и основной элемент (рис.2,3);

облегченный - резервный элемент находится в менее нагруженном ра­бочем режиме, чем основной;

ненагруженный - резервный элемент практически не несет нагрузки (рис. 4,5).

Системы с чисто последовательной или чисто параллельной структурой встречаются на практике довольно редко. Чаще при­ходится иметь дело со смешанными структурами: с параллель­но-последовательными системами (параллельное соединение после­довательных подсистем) и с последовательно-параллельными систе­мами (последовательное соединение параллельных подсистем), представленными на рис. 6, а также их комбинациями.

Рис.6. А) Параллельно-последовательная система (параллельное соединение последовательных подсистем). Б) Последовательно-параллельная система (последовательное соединение параллельных подсистем).